基于CKS32的隧道路灯智能控制系统_戚道才.pdf

第 31 卷 第 4 期 2023 年 8 月Vol.31 No.4Aug.2023电脑与信息技术Computer and Information Technology文章编号：1005-1228（2023）04-0074-05收稿日期：2022-09-09作者简介：戚道才（1991-），男，江苏无锡人，本科，主要从事 MCU 应用。近年来随着物联网技术的成熟发展，各种无线通信方式也迎来了百花齐放，像常见的短距离通信FSK、LoRa、Zigbee、蓝牙等无线技术，这些无线技术不需要依靠公网，即可实现数据的传输；还有一些如 NB-IOT、CAT1、4G、5G 必须通过运营商的骨干网才可以实现数据信息的传输，每种无线通信方式因其特有的特点，使其应用在生活的各个应用场景。在工业控制上，原有的方式主要为有线控制方式，无线技术的发展，使其无线控制变成可能。LoRa 以其传输距离远、功耗低、自组网的特性，在隧道、地下矿井公网信号不好的小范围组网等场景应用广泛，各物联网远程监测应用场景也应用而生。工业设备需要人在现场监测和维护，现在通过物联网技术，远程监控成为可能，管理人员就可以坐在监控室里对设备进行监控，而且通过网络随时进行远程监控。传统的隧道路灯采用有线的连接方式，这种方式铺设走线麻烦，当通信异常时，检修排查比较麻烦，维护成本较高。针对上述问题，本文设计了基于 CKS32 的隧道路灯智能控制系统。该系统包括路灯终端、中继网关、云网关、服务器和城市远程监控平台。1系统工作原理该 系 统 中 的 路 灯 终 端 采 用 中 科 芯 的CKS32F030C8T6 单片机为主控芯片，外设有 SPI 接口的 LoRa 通信模组、EEPROM、控制灯控的继电器、电流互感器、灯。中继网关包含 32 位 MCU CKS32F407VGT6、与 MCU 相连接的 LoRa 收发器、高增益天线。云网关由 32 位 MCUCKS32F407VGT6、LoRa 收发器和 CAT1 模块组成。整个系统通信分为上行和下行，上行：终端中继网关云网关服务器监控平台；下行：监控平台服务器基于 CKS32 的隧道路灯智能控制系统戚道才，朱信臣（中科芯集成电路有限公司 江苏 无锡214072）摘要：基于 CKS32 的隧道路灯智能控制系统。由路灯终端、中继网关、云端网关、服务器、后台上位机组成，其中路灯终端和中继网关采用 LoRa 无线通信进行数据交换，中继网关和云网关采用 LoRa 通信进行数据通信，云网关通过 cat1 通信模组实现与服务器端数据的交换，后台上位机实现人机交互，最终实现隧道路灯智能化控制。关键词：CKS32 单片机；物联网；智能路灯；LoRa 应用；中图分类号：TN87文献标识码：AIntelligent Control System of Tunnel Street Light Based on CKS32QI Dao-cai,ZHU Xin-chen（China Key System&Integrated Circuit Co.,Ltd.,Wuxi 214072,China）Abstract：Intelligent control system for tunnel street lights based on CKS32F407VGT6.It consists of street lamp terminal,relay gateway,cloud gateway,server,and background host computer.The street lamp terminal and relay gateway use LoRa wireless communication for data exchange,the relay gateway and cloud gateway use LoRa communication for data communication,and the cloud gateway uses cat1 The communication module realizes the exchange of data with the server,the background host computer realizes human-computer interaction,and finally realizes the intelligent control of tunnel street lights.Key words:CKS32 microcontroller;internet of things;smart street lights;LoRa applicationDOI:10.19414/ki.1005-1228.2023.04.013第 31 卷 第 4 期75戚道才等，基于 CKS32 的隧道路灯智能控制系统云网关中继网关终端。为了更好的扩大整套系统通讯的距离，云网关和中继网关采用 6dbi 的高增益玻璃钢天线，这样可以最大满足 3KM 长度的隧道通信。该系统框图如图 1 所示。图 1基于 CKS32 的隧道路灯智能控制系统框图 2系统硬件设计整个系统硬件设计主要涉及终端、中继网关、云网关三个部分,中继网关实现的是将终端和云网关实现透明传输。2.1CKS32F030C8T6 为主控的终端CKS32F030C8T6 是一款基于 ARM Cortex-M0 内核的 32 位通用微控制器5-6，工作频率为 48MHZ，64K 字节的 Flash 和 8K 字节的 RAM，LoRa 模块采用中科芯 CRF1278-L1 模组，该模组最大发射功率为19dBm,最小接收灵敏度为-140dBm，通信距离可实现 2KM，电流互感器采用 ZEMCT132 型号，实现对灯的电流测量，主要电路如图 2 所示。2.2CKS32F407VGT6 为主控的中继网关中继网关以 CKS32F407VGT6 为主控，外接四个LoRa 模组，其中两个做为发射，两个用于接收，发射的频点分别为 F1 和 F2，其中 F1 用于中继网关向终端发射数据，F2 用于中继网关向云网关发射频点，接收的频点分别为 F3 和 F4，F3 为中继网关接收终端发射数据的工作频点，F4 为中继网关接收云网关发射数据的工作频点。由于这种应用场景对实时性要求不高，所有的通信均为半双工通信方式，以简化通信的频道干扰和的避障冲突，核心框图电路如图 3 所示。图 3核心框图电路图 2CKS32F103 单片机主控模块电脑与信息技术 2023 年 8 月762.3CKS32F407VGT6 为主控的云网关云网关以 CKS32F407VGT6 为中控，外接一个LoRa 模组，实现数据的收发，外外接一个外部看门狗芯片，以防止系统死机，外接一个 EEPROM，存储一些关键的数据信息，外接一个无线蓝牙串口透传模块以方便实现近距离无线现场调试和升级，外接一个 CAT1 模组，实现和服务器的数据传输，外接一个RJ45 接口作为备份，以此实现有线网络数据传输，核心电路框图如图 4 所示。图 4云网关核心电路框图3通信协议3.1工作模式整套系统采用一套自定义的通信协议。通信采用树形结构，整个系统通信协议采用自协议定义。树形结构如下图所示：图 5通信协议树形图按照树形图，系统工作时，共有三种功能模式：常规工作模式：服务器以每 6 小时时间间隔向各个终端设备下达查询指令，查询其终端设备灯工作状态，并显示在工作台上。实时查询模式：工作人员通过点击后台管理平台的操控界面，可以查询瞬时设备的相关状态参数。异常上报模式：当设备发生异常故障时，会主动上报数据给中继网关，并通过云网关上传给服务器和管理平台进行报警。其中异常上报模式优先级实时查询模式常规工作模式。3.2AT 指令AT 指令主要包括查询、控制指令,具体指令见如下表 1：表 1查询设置 AT 指令表AT 指令含义终端答复AT+终端设备地址+State=?查询设备终端状态OK,AT+终端设备地址+State=F2 灯开正常状态OK,AT+终端设备地址+State=F7 灯关状态OK,AT+终端设备地址+State=F4 灯异常，电流低OK,AT+终端设备地址+State=F3 灯异常，电流过大AT+终 端 设备 地 址+Set adress=终端设备地址设置修改终端地址OK,AT+原终端设备地址=新终端设备地址 AT+终端设备地址+SPED=?查询设备速率OK,AT+终端设备地址+SPED=0 x01 空中速率为 0.3kbpsOK,AT+终端设备地址+SPED=0 x02 空中速率为 2.4kbps(默认)OK,AT+终端设备地址+SPED=0 x03 空中速率为 9.6kbpsOK,AT+终端设备地址+SPED=0 x04 空中速率为 19.2kbpsAT+终端设备地 址+SET TX Frequence=工作频率（默认为 F1 频点）设置修改设备的发射频率OK,AT+终 端 设 备 地 址+TX Frequence=工作频率AT+终端设备地址+SET RX Frequence=工作频率（默认为 F3 频点）设置修改设备的接收频率OK,AT+终 端 设 备 地 址+RX Frequence=工作频率AT+终端设备地址+RESET设备复位AT+终端设备地址+RSSI?终端的RSSI 信号强度查询OK,AT+终端设备地址+RSSI=xxxAT+终端设备地址+SNR?终端的SNR 查询OK,AT+终端设备地址+SNR=xxx4数据传输准确性提高策略及 RSSI 阈值确定方案4.1终端与中继网关、中继网关于云网关之间的通信抗干扰提高策略为了确保数据传输的稳定性，终端设备和中继网关之间的抗干扰策略主要采用了上下行异频和 RSSI预检测两种方法，上下行异频即采用上行和下发采用的通信频点不同，这样可以实现数据收发过程中，异常上报信息可以及时上报，而不受中继网关下发的影响。RSSI 预检测，即在终端设备上传数据前，需要检测一下环境的干扰情况，当发现环境干扰较强时，第 31 卷 第 4 期77戚道才等，基于 CKS32 的隧道路灯智能控制系统做一个 100ms 延时后再次进行检测环境，直到发现环境良好，再进行发射数据。这里需要借助 SNR 和RSSI 两个参数对环境进行检测。在 LoRa 模式下 RSSI 的大小与 PacketRssi 和 SNR参数有关14：SNR=PacketSnr/4 （1）其中PacketSnr可以直接从寄存器RegPktSnrValue获取。这样就得出了 SNR 的值。当 SNR=0 时，RSSI(dBm)=-157+16/15*PacketRssi（7）通过公式（6）和（7）的推导结果，我们在终端发射数据之前将终端切换为接收模式，频率保持与发射频率一致，然后计算出 RSSI 的值，通过判断RSSI 的大小判断环境的干扰程度。同样的干绕环境下 RSSI 的值越大说明环境干扰越强，超过设定的阈值时，不宜进行通信，RSSI 的值越小环境干扰越小，在本系统中 RSSI 阈值设置为-120dbm（2.4Kbps）。5 软件通信流程图5.1终端模组软件流程 图 6终端模组软件流程图5.2中继网关软件流程 图 7终端模组软件流程图5.3云网关软件流程 图 8云网关软件流程6通讯实验在 2.4Kbps 的速率下，对中继网关和终端进行距离通信测试，测试的环境为车辆正常通行的道路上。测试条件为，SF=12,BW=125KHZ,数据包大小 4 个字节，终端的天线增益为 2dbi,中继网关的天线增益为5dbi。电脑与信息技术 2023 年 8 月78中继网关和终端的距离（米）发送数据包接收数据包丢包数 丢包率RSSI8001000100000-5310001000100000-6115001000100000-8520001000100000-10622001000100000-11524001000100000-12326001000100000-1292800100099640.04%-13330001000922787.8%-1383200100065534534.5%-1413500100001000100%-从上面实验结果可以得出，该系统中中继网关和终端的通信在 2.8KM 距离下数据通信满足要求。由于中继网关和云网关距离较近，距离在 1KM 之内,故通信可靠稳定。由于隧道内相对来说杂波干扰较少，为了系统留有相对较大的裕量，故整套系统可以满足2KM 隧道的通信。7结束语本文提出的基于 CKS32 的隧道路灯智能控制系统。结合现有的 LoRa 技术和 cat1 模组，改进了常规隧道有线方式照明控制系统，大大简化了隧道照明施工、检修的难度，借助 cat1 的联网功能，是隧道照明系统快速接入智慧城市管理系统成为可能。同时该系统可以延展到其他的应用场景，比如煤矿照明、地下停车场等场景，可以很好的快速拓展到其他应用领域。参考文献：1 常浩,张键,王彬.基于 CKS32F103 的电动车管家设计 J.电子与封装,2021,21(01):93-98.2 刘 梦 影,朱 仁 龙,史 兴 强,等.一 款 32 位 MCU 定 时器设计及在无刷直流电机控制中的应用 J.电子与封装,2021,21(07):87-92.3 戚道才,沈伟.一种应用于 Sx127x 系列 LoRa 模组的射频检测方案 J.电子与封装.2020.20(1):010104.4 韩直,吕晓峰,尹林,等.公路隧道 LED 照明调光控制技术研究 J.中国交通信息产业,2009(10):99-102.5 夏 永 旭.公 路 隧 道 照 明 问 题 及 对 策 J.公 路 隧道,2009(3):55-56.6 徐从常.无极灯在峨山隧道照明中的应用探讨 J.中国交通信息产业,7 王亚琼,谢永利,赖金星.隧道钠灯与 LED 灯组合照明试验研究与应用J.地下空间与工程学报,2009,5(3):505-509.8 谢磊,刘静.高速公路隧道智能照明调控系统 J.中国交通信息产业,2009(4):101-103.9 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